Mr. Freeze to jeden z najsłynniejszych przeciwników Batmana, który używał specjalnej wiązki do “zamrażania” ludzi. Naukowcy z University of Virginia (UVA) wpadli na pomysł, jak przenieść komiksową technologię do rzeczywistości. Wynalazek, który jest wciąż daleki od realizacji, przykuł uwagę amerykańskiej armii, która widzi dla niej szereg potencjalnych zastosowań.
Czytaj też: Iterb to dziwny metal. Po trafieniu promieniami gamma staje się jeszcze dziwniejszy
Nowy artykuł opublikowany w ACS Nano szczegółowo opisuje, w jaki sposób plazma na bazie helu najpierw chłodzi powierzchnię, wysadzając ultracienką warstwę węgla i cząsteczek wody.
Promień zamrażający to kwestia czasu
Mówiąc plazma zazwyczaj myślimy o ekstremalnie wysokich temperaturach. W końcu ta “zupa elektronowa”, często nazywana czwartym stanem materii, jest paliwem gwiazd i (miejmy nadzieję) źródłem energii przyszłych reaktorów termojądrowych. Ale naukowcy z University of Virginia postanowili wykorzystać plazmę do stworzenia chłodzenia powierzchniowego dla elektroniki znajdującej się w statkach kosmicznych i odrzutowcach latających na dużych wysokościach.
Czytaj też: Promieniowanie Czerenkowa w 2D. Doszło nie tylko do obserwacji, ale i pobicia rekordu
Prof. Patrick Hopkins z UVA mówi:
To główny problem elektroniki w samolotach i statkach kosmicznych. Nagrzewa się, ale nie ma możliwości jej schłodzenia, bo każdy dodatkowy kilogram na pokładzie, jest na wagę złota.
Siłom Powietrznym Stanów Zjednoczonych na tyle spodobała się perspektywa promieni zamrażających, że przyznały laboratorium ExSiTE 750 tys. dolarów na badanie, które w ciągu trzech lat ma usprawnić tę technologię.
Na powierzchni ziemi lub na niewielkich wysokościach, elektronika często jest chłodzona przez naturę, np. US Navy wykorzystuje wodę oceaniczną jako część swoich systemów chłodzenia cieczą, a na niskich wysokościach powietrze jest wystarczająco gęste, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie podzespołów samolotu. Ale im wyżej, tym trudniej o właściwe zabezpieczenie elektroniki.
Plazma może osiągać temperatury tak wysokie, jak powierzchnia Słońca. Ale ma również dziwną cechę, która wydaje się naruszać drugą zasadę termodynamiki. Kiedy plazma uderza w powierzchnię, w rzeczywistości ochładza się przed podgrzaniem. Zespół prof. Hopkinsa wystrzelił fioletowy impuls plazmy przez igłę zamkniętą w ceramicznym izolatorze, który następnie uderzył w złotą płytkę.
Prof. Patrick Hopkins dodaje:
Moja specjalizacja to wykonywanie naprawdę szybkich i naprawdę małych pomiarów temperatury, więc kiedy włączyliśmy plazmę, mogliśmy zmierzyć temperaturę natychmiast w miejscu uderzenia, a następnie mogliśmy zobaczyć, jak zmieniła się powierzchnia. Najpierw zaobserwowaliśmy, jak powierzchnia się ochładza, a potem nagrzewa.
Naukowcy użyli mikroskopów i tzw. termometrii optycznej z rozdzielczością czasową do pomiaru tzw. termoodbicia, czyli odbicia światła na podstawie temperatury na powierzchni. Zespół Hopkinsa odkrył, że przyczyną początkowego spadku temperatury jest wysadzanie ultracienkiej warstwy cząsteczek węgla i wody na powierzchnię płyty.
Czytaj też: Lasery mogą przetopić stal, ale to lustro jest dla nich barierą nie do pokonania
To chłodzenie plazmy trwa tylko kilka mikrosekund, ale pewnego dnia technologia ta może być wykorzystana do błyskawicznego schłodzenia elektroniki. Zanim jednak powstanie prawdziwy “promień zamrażający”, konieczne jest pokonanie wielu przeszkód i wybranie materiałów najlepszych dla efektu chłodzenia.